CN1188625C - 水锤防止装置 - Google Patents

Abstract

一种水锤防止装置包括有供入口、出口和在流动通道中游部分的排流口用的同心流动通道的外壳；在其边缘上有一隔膜以将外壳内部分成上游部分和由中游及下游部分构成的区域的内管件，内管件与上游部分滑动配合；在内管件下游侧开口端面上的减压阀，减压阀能移向或移离阀口边缘上的阀座，该阀在中游和下游部分之间并由减压阀弹簧向阀打开方向挤压；以及在内管件内防止流体从下游回流的单向阀，并将水锤产生的压力流体经排流口排到外部。

Description

水锤防止装置

技术领域

本发明涉及一种水锤防止装置。

背景技术

已有的惯例是利用安装在供水装置的管道***中部的一个蓄压器来实现这样的目的。

这种装置有一个密封的容器，该容器的内部通过一个橡胶胀形膜、隔膜、活塞等分成供水压力侧和压力吸收侧，这样就能吸收由于在供水压力侧产生的水锤作用所引起的压力骤增。

然而，因为上述装置的压力吸收侧是一个封闭空间，所以对由水锤作用引起的压力骤增的吸收有一定的限制。

发明内容

考虑到上述问题，本发明将提供一种水锤防止装置，其特征在于，该装置包括：一个外壳，该外壳具有供一个入口、一个出口和一个排流口用的同心流动通道，所述排流口在流动通道中游部分；一个内管件，该内管件在其边缘上有一隔膜，将所述外壳的内部分成一个上游部分以及一个由流动通道的中游部分和下游部分构成的区域，其中，所述内管件滑动地装配在上游部分中；一个减压阀，该减压阀设置在所述内管件下游侧开口的端面上，其中，所述减压阀能够向位于阀口边缘上的阀座移动或移离阀座，该阀座位于中游部分和下游部分之间，并且所述减压阀由一减压阀弹簧向阀打开方向挤压；以及一个单向阀，该单向阀设置在内管件的内部以防止流体从下游侧回流，从而通过经排流口将水锤作用引起的压力水排到外部来解决上述问题。

根据如上所述的本发明，当由于水锤引起的反压力超过上游压力时，用单向阀5阻挡上游侧并打开减压阀4，这样来自下游的反压力就可通过排流口9排到外部，从而消除由水锤引起的噪音和振动，完全彻底地减少管道***的问题，该问题常常至少部分地是由水锤导致的噪音和振动所引起的。

在本发明的一个优选实施例中，水锤防止装置与安装在供水装置34管道***39上的单向阀38并联安装，或直接安装在管道***39上，排流口9通过管道与水接收箱35连接，这样不仅完全防止了水锤而且当从排流口9排出的水返回到水接收箱35时，也增加了消除水浪费的经济效益。

在根据该优选实施例的本发明中，水锤防止装置与供水装置45的每个终端设备51、51a、…等连接，并且其排流口9与外部连接，这样就能够通过排流口9将高压流体排到外部而防止由于反复打开和关闭供水所导致的频繁的高反压力上升引起的水锤，特别是当终端设备51、51a、…等是高压喷水枪时。

通过管道将排流口9与水接收箱47连接，也能防止水的浪费。

在本发明的另一个优选实施例中，因为隔膜14的有效直径D₁和阀座11的阀座直径D₂选择成大致相等，这样隔膜14所受到的减压阀4的阀关闭压力和减压阀4本身受到的阀打开压力能够平衡，并且减压阀弹簧17和单向阀弹簧28的弹簧载荷F和f别选择成维持中游部分8b的压力P₂始终低于上游侧压力P₁一个常数值ΔP，通过设定中游部分8b的压力P₂和上游侧压力P₁之间的压力差ΔP与供水装置的特殊特性相匹配，可以提供一种减压阀4的特定阀打开特性以便与特定的供水装置的特性匹配，从而能提供一种适合于任何供水装置的水锤防止装置1。

在本发明的又一个优选实施例中，内管件3形成具有一个圆形截面，当与内管件3相配合的外壳2内部的滑动表面12具有沿其周向等距离间隔分布的凹槽13、13a、…等时，这样就可以减小内管件3和滑动表面12之间的滑动接触面积，在不损失强度的情况下可以使内管件3更薄和更轻，从而有助于将内管件3的滑动阻力减小到内管件的强度所允许的程度。因此，在供水期间，由于压力流体的压力损失减小，可以改善供水性能，并且对于供水装置可以使用一个较小的供水泵。

在本发明的再一个优选实施例中，由于在内管件3的外圆周上的特氟隆涂层，可以减小内管件3相对外壳2的摩擦阻力，并且可与上述情况相同地减小压力损失。

在本发明的还一个优选实施例中，单向阀5在面对单向阀口18的面29上形成有一个平面30，所述平面的直径小于单向阀口18的直径，并且在所述平面30的中部形成有一个圆锥顶31。此外，还具有多个斜槽33、33a、…等，斜槽的宽度从外边缘向着单向阀5后面的中心逐渐减小，所述斜槽在与单向阀座19对应的阀座区域32的外侧。这些斜槽33、33a、…在圆周方向上等距离间隔地分布在单向阀5上。结果，水沿着单向阀5的形状从上游平缓地流向下游，不会在单向阀5的后面引起任何旋涡，从而将由***在流动通道8中的单向阀5所引起的压力损失减到最小。本发明提供了上述类似效果，并且其实际效益是显著的。

附图说明

图1是一个剖视图，表示水没有流动时的水锤防止装置。

图2是一个剖视图，表示水流动时的水锤防止装置。

图3是一个剖视图，表示当水锤发生和正在排水时的水锤防止装置。

图4是一个表示水锤防止装置的不同尺寸的图形。

图5是沿图1中A-A线的剖视图。

图6是单向阀的变形的俯视图。

图7图6中所示单向阀的主视图。

图8是图6中所示单向阀的仰视图。

图9是沿图6中B-B线的剖视图。

图10表示安装有水锤防止装置的用于供水装置的管道***的一个实施例。

图11表示管道***的另一个实施例。

具体实施方式

参照附图描述本发明的一个优选实施例。

图1至图3表示在不同情况下根据本发明的水锤防止装置的剖视图。

图1表示水没有流动时的状态，图2表示水流动时的状态，图3表示当水锤发生时水被排出的状态。

该水锤防止装置1由一个外壳2、一个内管件3、一个减压阀4和一个单向阀5构成。

外壳2具有用于入口6和出口7的同心流动通道8，入口6和出口7分别与供水管道***的上游侧和下游侧连接，以及在所述流动通道8的中游部分8b具有一个排流口9，该排流口9垂直于流动通道8与外部连接。

阀口10设置在中游部分8b和下游部分8c之间，阀座11设置在所述阀口10的周缘上。

一个滑动表面12设置在上游部分8a中以引导内管件3，所述滑动表面12具有多个凹槽13、13a、…，如图5所示，所述凹槽在环形内表面上沿周向等距离地形成。

内管件3的形状基本上为圆柱形且与上游部分8a滑动地配合。

为了减小相对内管件3的滑动阻力，通过在滑动表面12上形成槽13、13a、…等将滑动表面12与内管件3的接触面积减到最小。

为了减小对内管件3的滑动阻力，使上游部分8a的内表面(滑动表面12)形成如上所述的形式，而不是在内管件3的外表面上形成多个凹槽的原因是，为了保持内管件3的强度，必须增加内管件3的厚度，这实质上将增加内管件3的重量，如果多个凹槽形成在内管件3的外圆周上或如果内管件3的外部形状为多边形，这样将会抵消减小摩擦阻力的目的。

在本发明中如上所述形成的上游部分8a的滑动表面12，和形成圆柱状的内管件3的外形，将使外部压力的阻力减到最小，这样内管件3可以做得较薄和轻。

内管件3的外圆周涂有特氟隆，可进一步减小与所述滑动表面12的摩擦阻力，从而将滑动阻力减到最小。

隔膜14设置在内管件3的下游侧外圆周上，它将流动通道8分成一个上游侧8a和一个由一中游部分8b和一下游部分构成的区域。

由合成橡胶制成的减压阀4设置在所述内管件3的下游侧开口的端面上。

该减压阀4设置成面对所述阀座11，并能根据隔膜14的移动情况朝着阀座11移动或移离阀座11。

减压阀弹簧17设置在位于所述开口上的小直径台阶15和空腔16之间。所述空腔16设置在中游部分8b和下游部分8c之间，减压阀弹簧17朝着阀打开方向挤压减压阀4。

单向阀5基本上为蘑菇状，它有一个球形顶部，并设置在内管件3的内部以防止流体从下游侧回流。单向阀5具有这样的形式设置，即能够朝着单向阀座19移动或移离单向阀座19，该阀座19位于内管件3的上游侧开口的边缘上，它基本上形成了单向阀口18。

单向阀5由一个导环20支撑，该导环20设置成面对内管道件3内部的单向阀座19。

如图1所示，导环20包括：一个环21，当单向阀5关闭时，该环21横穿一个小间隙围绕着外部边缘；多个L形支撑杆22、22a…，所述L形支撑杆设置在所述环21的下游侧端面上，且在圆周方向上等距离分布，并朝着下游侧突出；以及一个阀杆滑环23，该滑环23基本上为一个截锥形，并与所述支撑杆22、22a…的弯曲端连接。

相邻支承杆22、22a…之间的空间形成了内管道件3和中游部分8b之间的连通口24、24a…。

在单向阀5后面突出的阀杆25滑动地***到阀杆滑环23中，并且一个单向阀弹簧28设置在一围绕阀杆25的环形空腔26和一弹簧挡27之间，该弹簧挡27凸缘状并突出地设置在阀杆滑环23的底端的外边缘上，其中，所述单向阀弹簧28在阀关闭的方向上挤压单向阀5。

下面，参照图6至图9描述单向阀5的一个变型。

图6是单向阀5的俯视图，图7是一个主视图，图8是一个仰视图，图9表示沿图6中B-B线的剖视图。

单向阀5基本上为一个蘑菇状。它有一个在其面对单向阀口18的面29上形成的平面30，所述平面具有比单向阀口18小的直径，以及一个形成在所述平面30中部的圆锥顶31。

此外，多个斜槽33、33a、…等，其斜槽的宽度从外边缘向着单向阀5后面的中心(阀杆25)逐渐减小，且外边缘在阀座区域32(当阀关闭时阀与单向阀座19接触的区域)的外侧，该区域在平面30的外侧以与单向阀座19相对应。

这些斜槽33、33a…在圆周方向上等距离(间隔小间隙S、S1…)位于单向阀5上。

图9中所示的单向阀5的面29是通过涂有合成橡胶而形成上述形状。

利用具有这样形状的单向阀5，当平面30受到上游侧压力在瞬间完全打开时，阀被打开，水流从面29上的圆锥顶31被分割成多个径向流。

当单向阀完全打开时，流量增加并且从单向阀5的外边缘到下游侧的流动通道将由斜槽33、33a、…来控制，这样水流将被调整并沿单向阀5的形状流向下游侧。

如下所述，也可以控制水锤防止装置1的中游8b的压力。

水锤防止装置不同部分的尺寸也用图4示出。

在此方案中，当水锤防止装置1在上游侧压力的一定应用范围内使用时，水锤防止装置1被控制以打开减压阀4，从而保持中游部分8b的压力始终低于上游压力一个常数值。

更具体地说，保持施加到减压阀4上的阀关闭压力和阀打开压力之间平衡的目的可以通过下面的方式实现：选择隔膜14的有效直径和减压阀4的阀座直径大致相等(条件1)，并且也将减压阀弹簧17和单向阀弹簧28的弹簧负载设定成保持中游部分8b的压力始终低于上游压力一个常数值(条件2)。

条件1可以通过满足下列等式来实现：

A-B-C＝D+α                       (1)

其中：

A：当隔膜的有效区域受到上游侧压力时，施加到减压阀上的阀关闭力；

B：当减压阀阀座的内边缘内的区域受到中游压力时，施加到减压阀上的阀打开力；

C：由减压阀弹簧施加到减压阀上的阀打开力；

D：施加到减压阀(橡胶)上关闭减压阀的压力(密封力)；

α：当减压阀移动以打开/关闭减压阀时，在内圆柱件中产生的摩擦阻力；

此外，假设：

D₁：隔膜的有效直径；

D₂：减压阀阀座的直径(在阀座宽度的中间测量的)；

d₁：减压阀阀座的外径；

d₂：减压阀阀座的内径；

P₁：上游压力；

P₂：中游压力(与下游压力相同)；

E：从关闭状态打开减压阀的系数(因为E变得比从打开状态关闭减压阀的系数小，假定该系数为1)；

ΔP：当减压阀打开时，上游侧压力和中游压力之间的压力差；

F：减压阀弹簧的弹簧载荷；

t：阀座的厚度；

利用上述符号表示等式(1)，我们得到：

$\mathrm{\π}{(D_1/2)}^2{P}_1-\mathrm{\π}{(D_2/2)}^2{P}_2-F=(\mathrm{\π}{(d_1/2)}^2-\mathrm{\π}{(d_2/2)}^2)P_{2}E+\mathrm{\α}--\left(1\right)\text{'}$

此外，注意：

P₂＝P₁-ΔP

d₁＝D₂+t

d₂＝D₂-t

将上面各式代入上述等式(1)’，我们得到：

$({\mathrm{\πP}}_1/4)({D_1}^2-D_2(D_2+4t))=\mathrm{\α}-(({\mathrm{\π\ΔPD}}_2/4)(D_2+4t)-F)--\left(1\right)\text{'}\text{'}$

因此，通过选择下述条件来保持等式(1)”平衡：

$D_1^2=D_2(D_2+4t)--\left(2\right)$

$\mathrm{\α}=({\mathrm{\π\ΔPD}}_2/4)(D_2+4t)-F--\left(3\right)$

我们知道，能够始终保持施加在减压阀4上的阀打开压力和阀关闭压力之间的平衡，而不受上游压力P₁变化的影响。

因为D₂＞＞t，且 $D_1^2=D_2(D_2+4t),$ 我们得到 $D_1\≅D_2.$

条件2是保持减压阀4在正常状态下(水流动或停止)关闭，并且它要求，由于单向阀弹簧28，压力减小后的水流水压必须大于中游8b的压力。

该条件2也可以用下述等式表示：

ΔP₁＞ΔP+Pa+Pb                     (4)

这里：

ΔP₁：由单向阀弹簧引起的上游侧压力和中游部分压力之间的压力差；

ΔP：当减压阀打开时，上游侧压力和中游部分压力之间的压力差；

Pa：由减压阀弹簧引起的上游侧压力和中游部分压力之间的压力差；

Pb：关闭减压阀所需要的最小压力(ΔP-ΔP₁)；

此外，假设：

x：单向阀阀座的直径(在阀座宽度的中间测量的)；

D₂：减压阀阀座的直径(在阀座宽度的中间测量的)；

F：减压阀弹簧的弹簧载荷；

f：单向阀弹簧的弹簧载荷；

那么，等式(4)可以改写成：

ΔP₁＞ΔP+Pa+(ΔP-ΔP₁)  或

$2f/\left(\mathrm{\π}{(x/2)}^2\right)>2\mathrm{\ΔP}+F/\left(\mathrm{\π}{(D_2/2)}^2\right)--\left(4\right)\text{'}$

减压阀弹簧17和单向阀弹簧28的弹簧载荷F和f的适当组合是根据满足条件2的上述等式来选择的，以分别设定减压阀弹簧17和单向阀弹簧28。

假设减压阀4阀座的直径(在阀座宽度的中间测量的)为D₂＝10.95cm，单向阀阀座19的直径(在阀座宽度的中间测量的)为x＝5cm，减压阀4阀座11的厚度为t＝0.1cm，打开减压阀4的所需压力差为ΔP＝10kPa。

利用等式(2)，计算隔膜14的有效直径D₁为11.15cm。

根据等式(4)’，选择减压阀弹簧17和单向阀弹簧28来满足如下条件：

减压阀弹簧17的弹簧载荷F＝24.5N

单向阀弹簧28的弹簧载荷F＝39.2N

从上述等式(3)计算摩擦阻力α为71.15N。

当使用水锤防止装置1且上游压力P₁从0.1至1Mpa变化时，减压阀4的阀打开压力差ΔP平均约等于10kPa。

因此，该水锤防止装置1能够保持中游部分8b的压力始终低于上游侧压力P1一个常数值ΔP(约10kPa)。

下面参照图10和11描述水锤防止装置1的管道***的一个实例。

图10是一个高位箱式供水装置的示意图。

该图显示一个水接收箱35，该水箱与自来水管道***36连接。所述水箱35与建筑物40房顶上的高位箱41通过一个提升管道39以及一个提升泵37和一个单向阀38相连接。从高位箱41，供水管道42与水龙头43、43a等连接。

水锤防止装置1与所述单向阀38并联连接，也就是说，其入口6和出口7分别在单向阀38的上游和下游侧与提升管道39连接，排流口9通过管道与所述水接收箱35连接。

当排流口9与排流通道44连接时，排流口9保持一个特定的排流口空间(间隙)，这样水将由于重力间接的排到水接收箱35中。

在供水装置34中，也可能取消单向阀38并在同一位置安装水锤防止装置1作为单向阀38。

在此情况下，水锤防止装置1的入口6和出口7分别连接在提升管道39的中部，一个在上游侧，另一个在下游侧，排流口9与水接收箱35连接。

虽然水锤防止装置1的管道实施例表示的是高位箱式供水装置34，但是水锤防止装置1也能连接在发生水锤的管道中部，使排流口9与其他形式的供水装置中的水接收箱连接。

图11是一个安装在生产车间和其他工作场合用于清洗各种物品的高压喷水供水装置45的示意图

该供水装置45由一个水接收箱47，该水接收箱与一个自来水管道***46连接。一个供水管50从水接收箱延伸到一个涡轮泵48和一个单向阀49，最后延伸到高压喷水枪51、51a、…等，喷水枪是设置在管道的每个末端的终端设备。

水锤防止装置1是这样安装在供水管道***50上的，即与每个高压喷水枪51、51a等串联连接。

水锤防止装置1的入口6和出口7分别与供水管道50的上游侧和下游侧相连，类似于前面所示的排流口9当其与排流通道52连接时，保持一个特定的排流口间隙，这样水将由于重力间接地排到外面；作为另一种选择，所述排流通道52、52a、…等可通过管道(未示出)与水接收箱47相连。

下面参照图1-图3、图10和图11来描述水锤防止装置的操作。

如图2所示，当水流动时，由于上游侧压力类似于水没有流动时的情况，减压阀4关闭，单向阀5打开。在图10和图11所示的供水***34和45的情况下，水或者供给水龙头43、43a等，或者供给高压喷水枪51、51a等，这些都分别是终端设备。

当水锤作用在水锤防止装置1的下游侧发生时，与关闭水龙头43、43a、…等或高压喷水枪51、51a、…的情况一样，下游侧压力(反压力)变得高于上游侧压力，这样如图3所示，单向阀5关闭，反压力施加到减压阀4上抵抗阀关闭压力，因此，减压阀4将沿向上游方向受压从而使之打开，中游部分8b通过排流口9与排流通道44、52、52a、…等连接以排出压力流体。

这样反压力被排到外面，防止了水锤作用。

当反压力消失和下游侧压力变得低于上游侧压力时，或者在中游部分8b的压力如前所述被控制的情况下，上游侧压力和中游部分压力(与下游侧压力相同)的压力差返回到预定值，减压阀4关闭。

减压阀4打开时排出的水，在供水装置34的情况下，通过排流通道44返回到水接收箱35，在供水装置45的情况下由重力排出，或在排流通道52通过管道与水接收箱47相连的替代情况下，水返回到水接收箱47中。

Claims (7)

1、一种水锤防止装置，包括：一个外壳，该外壳具有供一个入口、一个出口和一个排流口用的同心流动通道，所述排流口在流动通道中游部分；一个内管件，该内管件在其边缘上有一隔膜，将所述外壳的内部分成一个上游部分以及一个由流动通道的中游部分和下游部分构成的区域，以及一个单向阀，该单向阀设置在内管件的内部以防止流体从下游侧回流；其特征在于：

所述内管件滑动地装配在上游部分中；并且

所述水锤防止装置还包括一个减压阀，该减压阀设置在所述内管件下游侧开口的端面上，其中，所述减压阀能够向位于阀口边缘上的阀座移动或移离阀座，该阀座位于中游部分和下游部分之间，并且所述减压阀由一减压阀弹簧向阀打开方向挤压。

2、根据权利要求1所述的水锤防止装置，其特征在于，该装置与安装在供水装置管道上的一个单向阀并联连接，或者该装置安装在管道上，其中，所述排流口通过管道与一个水接收箱连接。

3、根据权利要求1所述的水锤防止装置，其特征在于，该装置与供水装置的终端设备串联连接，其中，所述排流口通过管道连接到外面或与一个水接收箱连接。

4、根据权利要求1、2、或3所述的水锤防止装置，其特征在于，所述隔膜的有效直径选择成等于所述减压阀的阀座直径，以实现施加到减压阀上的阀关闭压力与阀打开压力之间的压力平衡，并且减压阀弹簧和在向着阀关闭方向的方向上挤压单向阀的单向阀弹簧的弹簧载荷选择成，使得中游压力始终低于上游压力一个常数值。

5、根据权利要求1、2、或3所述的水锤防止装置，其特征在于，所述内管件形成具有一个圆形截面，并且与内管件配合的所述外壳的内滑动表面具有沿其周向等距离间隔形成的多个凹槽。

6、根据权利要求1、2、或3所述的水锤防止装置，其特征在于，所述内管件的外圆周上涂有特氟隆。

7、根据权利要求1、2、或3所述的水锤防止装置，其特征在于，所述单向阀有一个形成在其面向单向阀口的面上的平面，所述平面的直径小于单向阀口的直径；一个形成在所述平面中部的圆锥顶；以及在圆周方向上等距离间隔地形成在单向阀上的多个斜槽，斜槽的宽度从外边缘向着单向阀后面的中心逐渐减小，外边缘位于与单向阀座对应的阀座区域的外部。

Images